#12. 고분자 전해질 분류 및 종류 (고체 고분자 전해질, 젤 고분자 전해질)

1) 고분자 전해질

일반적으로 리튬이온전지에서는 전해질로 액체전해질을 사용하고 있으며, 리튬 이온의 이동을 용이하게 하기 위해 미세기공이 존재하는 10~20um 두께의 분리막을 사용한다. 반면, 고체 고분자 전해질의 경우 리튬 이온의 이동을 고분자 사슬의 분자운동에 의존하고 젤 고분자 전해질은 고분자에 도입된 액체 전해질의상태와 그들의 이온 전도에 크게 영향을 받는다. 

고분자 전해질은 상온에서의 높은 이온전도도와 기계적 강도를 만족시키는데 있어서 고체 고분자 전해질과 고체염으로는 한계가 있기 때문에 안전성 향상 측면에선 중요한 주제로 떠오르고 있으나, 실제 리튬이온전지에 적용하기 위해서는 아직 해결해야 할 문제들이 많은것으로 보여진다. 

2) 고체 고분자 전해질

고체 고분자 전해질은 고분자 물질이 이온을 전달할 수 있다는 사실이 발견되고, 이들이 전지를 비롯한 전기화학장치에 적용될 수 있다는 것이 알려진 이후 고체 고분자 전해질에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 고체 고분자 전해질을 이용한 전고상 전지의 장점은 크게 6가지가 있다. 

- 음극에 리튬금속을 사용할 수 있어 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있다.

- 누액염려가 없어 신뢰성이 높다.

- 다양한 모양과 디자인을 갖는 전지제조가 가능하다.

- 초박막 전지 제조가 가능하다.

- 전지온도가 상승하여도 가연성 가스의 분출이 없다.

- 분리막 및 보호회로 등이 필요 없어 저비용으로 전지제조가 가능하다. 

 

이 고체 고분자를 상용화시키기 위해서는 이온 배위능을 가지는 극성기가 고분자 사슬 내에 존재하고, 인접 사슬의 극성기가 이온과 coordination을 할 수 있어야 한다. 염을 해리하기 위해서는 사슬의 공간적 배열이 적절하여야 하며 극성기의 구조는 에테르, 에스테르, 아민 등과 같이 양이온을 강하게 용매화 할 수 있는 전자 공여기가 있어야 한다. 또한, 고분자 사슬의 유연성을 높이기 위하여 낮은 유리 전이 온도를 가져야 한다. 

3) 젤 고분자 전해질

젤 고분자 전해질은 고분자, 유기용매, 리튬염으로 구성되는 것으로, 고체 고분자 매트릭스 내에 유기 전해액을 함침시켜 제조된다. 이들은 외형상으로는 고체 필름 형태이지만 고분자 사슬내로 스며든 전해질에 의해 이온 전도도 값이 10-3 S/cm수준을 나타내기 때문에 고체 고분자 전해질이 갖는 가공성 및 액체전해질의 장점인 높은 이온 전도 특성을 모두 갖고 있기에 리튬이차전지용 고분자 전해질로 활발한 연구가 진행되어 왔다. 예시로는 PAN(poly(vinylidene fluoritrile), PVdF (poly(vinludene fluoride), PMMA(poly(methyl methacrylate), PEO(poly(ethyleneoxide) 등이 있다. 

4) 고분자 염-단일 이온전도체 

고분자 물질 자체가 양이온 및 음이온을 포함하고 있으며, 이들이 해리되어 이온전도성을 나타내는 물질을 고분자 염이라고 한다. 고부자염에서는 양이온 또는 음이온만 단독으로 사용할 수 있기 때문에 이들을 단이온 전도체 (single crystal)이라고 부른다. 일반적으로 리튬염을 포함하고 있는 고분자 전해질에서는 해리된 음이온들이 고분자 사슬과 상호작용을 하지 않고 이동할 수 있다.